【www.zhangdahai.com--开题报告】
摘 要：充液阀是陶瓷压砖机十分关键的零件，典型的充液阀在关闭过程中冲击载荷较大，极易造成充液阀故障，影响其可靠性。本文探讨了能量法求解充液阀在关闭中的冲击载荷，计算结果与模拟仿真、实物测试相近，给充液阀的设计和优化提供可靠的理论依据。
关键词：充液阀；能量法；冲击载荷
1 前 言
陶瓷压砖机是生产陶瓷砖最关键的设备，是机、电、液、计算机控制技术和陶瓷工艺技术相结合的现代高科技设备。可靠性、重复性、调控性、耐久性是评价压砖机综合性能的重要指标。压砖机在压制过程中，充液阀的作用是液压油快速填充主油缸，以满足压砖机工作频率高、速度快的需求，而且充液阀位于压机油箱与主油缸内部，如果充液阀发生故障，必须拆机、油箱排空，其工作量较大，并且影响整条线的生产，可见其可靠性尤为值得重视。充液阀通油量大、工作频率高、速度快，加上充液阀通常采用弹簧回程，使得充液阀开闭过程产生冲击载荷，极易造成充液阀故障，影响其可靠性。
可变形固体在受外力作用而变形时，外力和内力均作功。对于弹性体，由于变形的可逆性，外力在相应的位移上所作的功，在数值上等于积蓄在物体内的应变能。当外力撤除时，这种应变能将全部转换成为其他形式的能量。利用功和能的概念求解可变形的位移、变形和内力等方法，统称为能量法。能量法的应用很广，也是用有限元求解力学问题的重要基础。
本文基于能量法以YP系列压砖机的充液阀为例，计算充液阀关闭中的冲击载荷。
2 充液阀结构概述和能量法的力学模型的建立
充液阀的作用是当活动横梁靠自重下行时，油缸上腔产生真空，吸开充液阀，油箱的油液通过充液阀大量流入主缸上腔填充其不足，以实现活动横梁的快速下降。当活动横梁回程时，打开充液阀，油缸上腔的油液通过充液阀，迅速排入油箱，以实现活动横梁的快速上升。图1为YP系列陶瓷压砖机的充液阀典型结构形式。该阀为常闭自动开启式，具有很大的阀径，质量小、惯性小，动作灵活可靠。
充液阀关闭过程中，接力缸卸载后，被压缩弹簧迅速伸张，带动阀上移，当阀下部法兰结构接触支架（阀座和横梁）后，实现充液阀关闭。此过程中，阀与支架均受到很大的冲击作用。要精确地分析冲击应力和变形，应考虑弹性体内应力波的传播，其计算较为复杂。利用能量法就可以较为粗略，但其计算方法较为安全。
充液阀简化模型冲击过程分析如图2所示，在关闭充液阀过程中，接力缸卸载后，弹簧张力使得弹簧的压缩长度从X1变成X2，带动阀上移。当阀下法兰接触支架后，产生冲击。在冲击载荷F的作用下阀的细长杆部分由L变为L+ΔL，因此冲击后弹簧压缩长度为（X2-ΔL）。
在计算冲击应力中，假设：
（1） 不计支架的变形，且阀与支架接触后无回弹；
（2） 阀比支架质量要小，且冲击应力瞬时传遍阀；
（3） 冲击过程中，声、热等能量损耗很小，可以略去不计。
根据上述假设，在充液阀关闭中，当阀与直径接触后速度降为零时，弹簧压缩量由X1变为X2，这时阀的伸长为ΔL，与之相应的冲击载荷为F。根据能量法和机械能量守恒定律，充液阀系统关闭过程中，系统减少的势能E?籽转换为应变能E?着，从而求解出瞬间的冲击载荷引起的动应力。
E?籽＝E?着（1）
3 力学模型方程的推算
根据机械能守恒定律，冲击中减少的机械能为弹簧的势能E?籽／。
同时，阀上移，增加的重力势能为：
EG＝mgx1-（x2-?驻L）=mg（x1-x2+?驻L）（3）
阀被冲击增加的应变能为E?着，由胡克定律得：
就阀而言，F与ΔL间的关系为：
由能量法和机械能守恒定律可得：
式中：
L――阀长度；
A――阀截面积；
E――阀材料的弹性模量；
m――阀的质量；
K――弹簧刚度；
x1、x2――阀开（闭）时，弹簧的压缩长度。
解一元二次方程式（8）得：
取正根得：
简化为：
F=KdF0（9）
充液阀关闭后对阀的静压力标记为：
F0=Kx2-mg（10）
冲击动载荷因数 ：
式(10)中，F0为充液阀关闭后对阀的静压力。由此可见，冲击动载荷因数Kd表示冲击载荷F与冲击后静力F0的比值。
x2），也可以将降低冲击载荷。当x1≈x2，即相当于弹簧瞬间关闭，此时冲击动载荷因数Kd=2，即冲击载荷F也相当于缓慢关闭充液阀引起的静应力的2倍。
4 YP压机充液阀冲击应力计算
某型号YP压机的充液阀相关参数如下：
（1） L= 536 mm；
（2） A= 4535 mm2；
（3） E= 200 GPa=200000 N/ mm2；
（4） m= 69.9 kg；
（5） K=18.24 N/ mm；
（6） x1=103 mm；
（7） x2=73 mm。
将上述参数代入式（9~11），可求得静压力F0 =70.211 kgf、冲击动载荷因数Kd = 473.970、冲击动应力F = KdF0 = 313.155 kN= 31.246 tf。此结果与充液阀计算仿真结果，以及实物测试结果相近。
5 结 语
在机械设计上，基于能量法来计算冲击载荷的应用较为常见，但多数为动能、重力势能与应变能之间的计算。本文中探讨了弹簧势能与应变能转换的能量计算法来分析冲击应力，尤其是计算陶瓷压砖机的充液阀关闭过程的冲击应力，为陶瓷压砖机的设计提供理论依据。
在实际冲击过程中，不可避免地会有声、热等其它的能量损耗，由能量法所算出的冲击应力荷因数Kd偏大，因而，这种计算方法是安全的。
参考文献
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